Principles of thermo-fluid In fluid...

Dr. Ir. Harinaldi, M.EngMechanical Engineering Department

Faculty of Engineering University of Indonesia

Principles of thermo-fluidIn fluid system

Fluida :• tidak mampu menahan gaya geser

pada lapisan-lapisannya• deformasi sebanding dengan tegangan

geser

Sifat-sifat FluidaSifat-sifat Fluida

Relasi Deformasi denganTegangan Geser

Fluida Newtonian

Fluida Non-Newtonian

Perubahan Densitas/Kerapatan

Fluida Mampu- mampat

Fluida Tak Mampu-mampat

Fluida Newtonian

Sifat-sifat FluidaSifat-sifat Fluida

Deformasi berbanding lurus dengan tegangan geser

Fluida Non-Newtonian Deformasi tidak berbanding lurus dengantegangan geser

Sifat-sifat FluidaSifat-sifat Fluida

Fluida Mampu Mampat (Compressible)

Sifat-sifat FluidaSifat-sifat Fluida

Fluida Tak Mampu Mampat (Incompressible)

Sifat-sifat FluidaSifat-sifat Fluida

Densitas/Kerapatan/Massa Jenis, ρ

Sifat-sifat FluidaSifat-sifat Fluida

Massa Fluida Persatuan VolumeDimensi : ML-3

Satuan : kg/m3 (SI), slugs/ft3 (BG)

1υρ

=

Volume Jenis:

Berat Spesifik (Specifiic Weight), γ

Sifat-sifat FluidaSifat-sifat Fluida

Berat Fluida Persatuan VolumeDimensi : FL-3

Satuan : N/m3 (SI), lb/ft3 (BG)

gγ ρ=

Gravitasi Spesifik (Specifiic Gravity), s.g

Sifat-sifat FluidaSifat-sifat Fluida

Perbandingan (rasio) kerapatan/density suatufluida terhadap kerapatan fluida acuan

Fluida acuan cairan adalah airFluida acuan gas dan uap adalah udara

/ /

. (liquid/cair)

. (gas/gas)

liquid liquid

water water

gas vapor gas vapor

air air

s g

s g

ρ γρ γ

ρ γρ γ

= =

= =

Modulus Bulk Elastisitas Fluida, Ev

Sifat-sifat FluidaSifat-sifat Fluida

Sifat yang biasa digunakan untuk menentukan Kemampumampatan (compressibility) suatu fluidaDimensi : FL-2

Satuan : N/m2 (SI), lb/in.2 (BG)

/ /vdp dpE

dV V d ρ ρ= − =

Ev besar -> fluida incompresible (tak mampu mampat) Nilai dari modulus bulk gas tergantung pada jenis Proses yang berlangsung

Isotermal : Ev = pIsentropik : Ev = kp

Kecepatan Akustik, c

Sifat-sifat FluidaSifat-sifat Fluida

Kecepatan bunyi di dalam fluida

vEdpcd ρ ρ

= =

Untuk gas ideal dengan proses isentropik

kpc kRTρ

= =

Viskositas

Sifat-sifat FluidaSifat-sifat Fluida

- Resistensi fluida terhadap tegangan geser- kontrol terhadap transfer momentum antar lapisan

Penyebab: - Kohesi molekuler- Perpindahan molekul antar lapisan

Pengaruh peningkatan temperatur: - cairan : viskositas berkurang- gas : viskositas bertambah

Viskositas Dinamik (Absolut), µ

Sifat-sifat FluidaSifat-sifat Fluida

Rasio tegangan geser terhadap laju deformasiDimensi : FTL-2

Satuan : N.s/m2 (SI), lb.s/ft2 (BG)

dudy

τµ =

Pengaruh Temperatur:Gas : Persamaan Sutherland

Cair: Persamaan Andrade

3/ 2CTT S

µ =+

/B TDeµ =

Viskositas Kinematik, ν

Sifat-sifat FluidaSifat-sifat Fluida

Rasio viskositas dinamik dengan kerapatan fluidaDimensi : L2T-1

Satuan : m2/s (SI), ft2/s (BG)

µνρ

=

Tegangan Permukaan, σ

Sifat-sifat FluidaSifat-sifat Fluida

Intensitas gaya tarik molekul persatuan panjangsepanjang garis permukaanDimensi : FL-1

Satuan : N/m (SI), lb/ft (BG)

Tekanan Uap, pv

Sifat-sifat FluidaSifat-sifat Fluida

Tekanan pada mana cairan dan uap fluida beradadalam kesetimbangan pada temperatur tertentu

Hidrostatika

Hidrostatika dan HidrodinamikaHidrostatika dan Hidrodinamika

Energi dipindahkan melalui fluida tertutup (dibatasibatas padat) oleh tekanan yang dibangkitkan daripengenaan suatu gaya pada fluida tersebut

Kebanyakan sistem hidrolik adalah sistem hidro-statik, dengan energi tekanan bersumber utamadari gaya tekan. Gerakan fluida diperlukan, tetapitidak sebagai penghasil gaya

Hidrodinamika

Hidrostatika dan HidrodinamikaHidrostatika dan Hidrodinamika

Energi kinetik aliran fluida dikonversikan menjadienergi mekanik (biasanya rotasional) dan diguna-kan untuk menghasilkan kerja

Dalam sistem hidrodinamik energi ditransmisikanoleh gerakan fluida itu sendiri

Kincir air, turbin dll. merupakan contoh aplikasisistem hidrodinamik

Statika Fluida

Statika FluidaStatika Fluida

• Fluida dalam keadaan diam

• Fluida bergerak sedemikian rupa tidak ada gerakanrelatif antara partikel fluida yang berdekatan

• Tidak ada tegangan geser dalam fluid• Gaya yang terbentuk pada permukaan partikel

akibat tekanan• Kajian terhadap tekanan dan variasinya dalam

fluida dan pengaruh tekanan pada permukaanyang tenggelam

ˆ 0p γ∇ + =k

ˆp γ ρ− ∇ − =k a

Fluida Tak Mampu-mampat

Statika FluidaStatika Fluida

ˆ 0p γ∇ + =kdpdz

γ= −

Dalam keadaan diam

1 2p h pγ= +

Hukum PascalTekanan yang dikenakan pada sistem tertutup akanditeruskan ke segala arah

1 21 2

1 2

F Fp pA A

= → =

Pengukuran Tekanan

Statika FluidaStatika Fluida

Tekanan Mutlak (Absolute Pressure)

Tekanan Pengukuran

Tekanan aktual pada suatu posisi tertentu, dan diukur relative terhadap keadaan hampa udara sempurna (absolute vacuum)

Keadaan hampa udara sempurna memiliki tekanan mutlak nol (absolute vacuum = zero absolute pressure)

Alat pengukur tekanan dikalibrasi pada tekanan atmosfir, jadi skala bacaannya menyatakan berbedaan antara tekanan mutlak dengan tekanan udara setempat (Tekanan Gage= Pgage)

Tekanan di bawah tekanan atmosfir disebut tekanan vakum (Pvac)

Statika FluidaStatika FluidaHubungan Antar Tekanan

Manometer

Statika FluidaStatika Fluida Perbedaan tekanan kecil sampai sedang

diukur dengan sebuah manometer.

Perbedaan ketinggian kolom fluida sebesar h menunjukkan perbedaan tekanan sebesar:

Pgas – Patm =

dimana ρ adalah massa jenis fluida dan g adalah percepatan gravitasi lokal

Tekanan atmosfir diukur dengan sebuah barometer dan ditentukan sebagai :

dimana h adalah tinggi kolom cairan di atas permukaan bebas

Aspek-aspek lainnya

Statika FluidaStatika Fluida

• Gaya Hidrostatik pada permukaan datardan lengkung

• Gaya apung (Buoyancy), Floatation, Stabilitas• Hukum Archimedes• Variasi tekanan pada fluida dengan gerakan benda

kaku (rigid body)

Medan Kecepatan

Kinematika FluidaKinematika Fluida

Dimensi Aliran

Kinematika FluidaKinematika Fluida

Aliran Mantap dan Tak Mantap(Steady State Flow and Unsteady State Flow)

Kinematika FluidaKinematika Fluida

Garis-garis Arus Aliran

Kinematika FluidaKinematika Fluida

Streamlines, streaklines, pathlines, timelines

Teorema Transport Reynolds

Kinematika FluidaKinematika Fluida

ˆ sys

cv cs

DBb dV b dA

Dt tρ ρ∂= + ⋅

∂ ∫ ∫ V n

B = sembarang parameter fluidab = sembarang parameter fluida persatuan massa

Dinamika FluidaDinamika FluidaHukum Kedua Newton Sepanjang Streamline

Dinamika FluidaDinamika FluidaHukum Kedua Newton Normal terhadap Stremline

Dinamika FluidaDinamika FluidaGoverning Equation

21 constant along streamline2

p V zρ γ+ + =

2

constant across streamlineVp dn zR

ρ γ+ + =∫

Bernoulli

Dinamika FluidaDinamika FluidaTekanan Statik, Stagnasi, Dinamik, Total

Dinamika FluidaDinamika FluidaTekanan Statik, Stagnasi, Dinamik, Total

Dinamika FluidaDinamika FluidaPenerapan Persamaan BernoulliFree Jet

Dinamika FluidaDinamika FluidaKeterbatasan Penerapan Persamaan Bernoulli

• Pengaruh-pengaruh Kompresibilitas• Pengaruh-pengaruh unsteadiness• Pengaruh Rotasi

Perubahan Energi FluidaPerubahan Energi FluidaFluida Incompressible

- perubahan energi dalam biasanya dapat diabaikan karena pengaruh- nya sangat kecil dibandingkan dengan kerja yang dilakukan oleh mesin fluida- Kesetimbangan energi (energi balance) dinyatakan sebagai:

2 21 1 2 2

1 22 2p V p Vm gz L m gzρ ρ

+ + + = + +

˙ ˙

p2

V2p1

V1z1

z2

L = massa mengalir perunit waktu (kg/s)

L = kerja perunit waktu atau daya (W)

V = kecepatan (m/s)

p = tekanan (Pa = N/m2)

z = ketinggian (m)

m

Perubahan Energi FluidaPerubahan Energi FluidaFluida Incompressible

Komponen Energi:- head tekanan kerja yang dilakukan aliran volumetrik (m/ρ) terhadap tekanan (p)- head kecepatan kerja kinetik aliran massa fluida- head ketinggian kerja untuk mengatasi perbedaan potensial

2 2

2 2tp V p VH z zg g gρ γ

= + + = + +

Head Total:

Kerja Mesin Fluida : untuk mengatasi perbedaan head total

tL mg H= ∆˙

Perubahan Energi FluidaPerubahan Energi FluidaFluida Compressible

- perubahan energi dalam tidak dapat diabaikan karena berkaitan erat dengan kerja (pv) pada fluida yang mengalir- pengaruh perbedaan ketinggian biasanya sangat kecil dan biasanya diabaikan- Kesetimbangan energi (energi balance) dinyatakan sebagai:

2 21 2

1 1 1 2 2 22 2V Vm u p v L m u p v J

+ + + = + + +

˙ ˙

p1 , u1

v1 , V1

L = massa mengalir perunit waktu (kg/s)L = kerja perunit waktu atau daya (W)V = kecepatan (m/s)v = volume spesifik (m3/kg)p = tekanan (Pa = N/m2)u= energi dalam perunit massa (J/kg)J = perpindahan panas perunit waktu (J/s)

m

p2 , u2

v2 , V2J

Perubahan Energi FluidaPerubahan Energi FluidaFluida Compressible

- Hubungan antara p dan v untuk fluida compressible umumnya ditentu kan oleh proses kompresinya (untuk mesin kerja/kompresor) atau proses ekspansinya (untuk mesin tenaga/turbin)- Terdapat 3 macam kemungkinan proses: 1. Proses Adiabatik 2. Proses Isotermik 3. Proses Politropik

2

2tVi u pv

= + +

Entalpi Total:

Proses Termodinamika yang Terlibat:

Perubahan Energi FluidaPerubahan Energi FluidaFluida Compressible

- Proses berjalan tanpa adanya perpindahan panas sama sekali, tidak ada panas yang keluar atau masuk ke dalam fluida - proses berjalan dengan sangat cepat - mesin fluida diisolir sedemikian rupa panas sukar berpidah atau tertahan

konstankpv =

Proses Adiabatik

Persamaan Proses:

Perbedaan Head Total:

1

1, 2 2

2

1 11

kk

t adk pH p v

g k p

− ∆ = − −

Perubahan Energi FluidaPerubahan Energi FluidaFluida Compressible

- Proses berjalan dengan perpindahan panas sedemikian rupa sehingga suhunya tetap. - pendinginan sempurna

konstanpv =

Proses Isotermik

Persamaan Proses:

Perbedaan Head Total:

2, 1 1

1

1 lnt isopH p v

g p∆ =

Perubahan Energi FluidaPerubahan Energi FluidaFluida Compressible

- Proses berjalan dengan perpindahan panas dan perubahan temperatur sehingga dapat dikatakan terletak antara proses adiabatik dan isotermik - Proses yang dalam praktek mendekati keadaan sebenarnya

konstannpv =

Proses Politropik

Persamaan Proses:

Perbedaan Head Total:

1

2, 1 1

1

1 11

nn

t poln pH p v

g n p

− ∆ = − −

Dalam proses perubahan energi tidak dapat dihindarikehilangan energi dalam bentuk panaskehilangan energi dalam bentuk panas

EfisiensiEfisiensi

Energi Fluida

Energi Mekanik

Energi Panas

Efisiensi mesin didefinisikan sebagai perbandingan perbandingan daya keluaran dengan daya masukdaya keluaran dengan daya masuk